Николай Курчанов - Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие

1 – энхансеры; 2 – сайленсеры; 3 – промотор; 4 – экзоны; 5 – интроны; 6 – участки экзонов, кодирующие нетранслируемые области

Другой удивительной особенностью генома эукариот явились повторяющиеся последовательности, т. е. последовательности ДНК, присутствующие в количестве нескольких копий. По частоте в геноме эукариот можно выделить три типа последовательностей ДНК (Айала Ф., Кайгер Дж., 1988). Это уникальные последовательности , представленные одной или несколькими копиями; умеренные повторы , представленные от десятка до нескольких тысяч копий на геном; высокоповторяющаяся ДНК , представленная от нескольких тысяч до миллиона копий на геном. Большинство функционирующих генов являются уникальными последовательностями, некоторые представлены умеренными повторами. Уникальные последовательности преобладают и в межгенных участках, но именно многократно повторяющиеся последовательности этих областей и вызывают особый интерес, во многом оставаясь загадкой.

Структурно различают тандемные повторы, которые расположены вплотную друг к другу, образуя блоки (кластеры), и диспергированные повторы, которые разбросаны по геному.

Тандемные повторы образуют особую сателлитную ДНК.Число разных копий в сателлитной ДНК варьирует от сотен до миллионов. Размер единицы повторов редко превышает 200 нуклеотидов, но может состоять и из одной «буквы». Недавно были обнаружены «мегасателлиты» размером до 5000 п. н., которые повторяются 50–400 раз (Тарантул В. З., 2003). Локализована сателлитная ДНК преимущественно в гетерохроматиновых районах, особенно в области центромеры и теломеры. Только «микросателлиты», представляющие повторы единиц из 1–4 нуклеотидов, рассеяны по всему геному.

Диспергированные повторы более разнообразны и многочисленны. Их размер обычно колеблется от 100 до 10 000 п. н. Они присутствуют во всех хромосомах человека и других млекопитающих. Сложная классификация диспергированных повторов включает различные группы и подгруппы, однако границы между ними размыты. Рекордную частоту в геноме человека (более миллиона копий на геном) имеют Alu-повторы, размером около 300 п. н. Большинство диспергированных повторов относится к группе транспозонов, уникальной характеристикой которых, как уже говорилось выше, является способность перемещаться по геному.

Характеристика конкретных повторов в определенных местах генома играет важную роль в генетической идентификации личности.

Эволюционное значение повторов мы рассмотрим ниже, а сейчас отметим, что среди повторяющихся участков генома неожиданным открытием явились так называемые псевдогены– нефункционирующие последовательности ДНК, сходные с функционирующими генами (Proudfoot N., 1980). В геноме человека, например, около 20 000 псевдогенов. В частности, в семействе генов-рецепторов обоняния их почти 60 %. Псевдогены еще больше осложнили определение понятия «ген». Можем ли мы псевдогены считать генами? И что же все-таки такое ген?

Таким образом, используя термин «ген» для обозначения определенной последовательности ДНК, мы теперь вкладываем в него возможность прерывистой структурной организации, возможность участия части этой последовательности в составе другого гена, неоднозначность экспрессии этого участка, наличие генов как для белков, так и для РНК.

Подводя итог исследований молекулярной биологии гена и понимая всю сложность этой проблемы, остановимся на лаконичном определении гена, которое приводит в своей книге В. З. Тарантул: «Ген – это физическая (определенный участок ДНК) и функциональная (кодирует белок или РНК) единица наследственности» (Тарантул В. З., 2003). Размеры гена варьируют в чрезвычайно широких пределах. Так, самый маленький ген человека (МСС-7) имеет всего 21 п. н., а самый большой (ген дистрофина ) – 2,2 млн п. н. (Гринев В. В., 2006).

Генетическая информация записывается последовательностями нуклеотидов в нуклеиновых кислотах с помощью 4 символов, как информация текста книги записывается с помощью букв, количество которых зависит от конкретного алфавита. В структуру белка эта информация «переписывается» с помощью 20-буквенного «алфавита» природных аминокислот. Для перезаписи нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот в последовательность аминокислот должна существовать система кодировки, которая и получила название генетического кода. Генетический код –это соответствие определенной последовательности нуклеотидов определенной аминокислоте.

Выяснение природы генетического кода и экспериментальное определение смысла каждого кодона можно отнести к самым выдающимся достижениям современной науки. Первые результаты были представлены Ф. Криком и соавторами на V Международном биохимическом конгрессе в Москве в 1961 г. (Crick F. [et al.], 1961). Генетический код был полностью расшифрован к 1966 г. В его расшифровке принимали участие ведущие ученые всего мира. Он имеет следующие основные характеристики:

Триплетность – каждая аминокислота зашифрована последовательностью из 3 нуклеотидов ( триплетомили кодоном).

Вырожденность – большинство аминокислот шифруются более чем одним кодоном (от 2 до 6).

Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав 2 соседних кодонов.

Универсальность – характерен для всех организмов живой природы.

Универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов.

Первое исключение из правила универсальности продемонстрировали митохондрии, причем в митохондриях разных организмов значение некоторых кодонов варьировало. Тогда стали говорить о квазиуниверсальности генетического кода. В последнее время найдены единичные отклонения генетического кода других «экзотических» объектов. К ним относятся микоплазмы , некоторые грибы, инфузории , хлоропласты растений. Российский генетик В. А. Ратнер пишет: «Это своеобразные „диалекты“ генетического кода, отражающие специфику их эволюции» (Ратнер В. А., 2002). Обнаруженные вариации генетического кода показывают, что код эволюционировал. В определении направления эволюции генетического кода между генетиками нет единого мнения.

В универсальном генетическом коде 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Три кодона не соответствуют никакой аминокислоте и определяют момент окончания синтеза полипептида. Это так называемые терминирующие кодоны (стоп-кодоны) – УАА, УАГ, УГА.Они играют роль знаков препинания между генами. Соответствие структуры гена (в нуклеотидах) и структуры кодируемого им белка (в аминокислотах) получило название коллинеарности.Интересно отметить, что лишь прямое подтверждение коллинеарности в 1964 г. послужило окончанием более чем 10-летних дискуссий вокруг гипотез реализации наследственной информации.